CN107748332A - 一种基于机械波的电池荷电状态（soc）测量系统 - Google Patents

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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
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Abstract

本发明公开一种基于机械波的电池荷电状态(SOC)测量系统，该系统不同于传统的基于测量电压及控制算法的测量方法，为通过机械波反应电池力学性质的变化，并反推电池的SOC的方法。该系统由载荷激励装置、颗粒晶体系统、力传感器、数据采集装置及智能分析系统构成。给定颗粒晶体系统一个力学激励，测量入射波和反射波，反映电池力学性质的变化，从而反推电池的SOC。此系统有助于测量/辅助测量电池的SOC，使测量结果精确、可靠。

Description

一种基于机械波的电池荷电状态(SOC)测量系统
技术领域
本发明涉及锂离子电池及电池充放电领域，主要涉及一种基于机械波的电池荷电状态(SOC)测量系统
背景技术
锂离子电池在航空航天，汽车，手机等领域有着越来越广泛的应用。正确的估计电池的SOC有助于电池的合理使用。
现有的SOC测量方法一般采用通过测量电池电压、电阻、电流的大小通过一定的算法估计得到。目前，SOC估算方法可以归结为电量累积法、电阻测量法和电压测量法3种基本类型。具体包括电量累积法、开路电压法、阻抗法、卡尔曼滤波法、神经网络法等。然而通过这样的估计方法往往会产生很大的误差，这对电池的安全、健康使用带来了严重的制约。
测量电池刚度一般采用压缩、三点弯曲等力学测试方法，然而这些测试方法对电池有着不可逆的损害。目前少有无损的通过测量电池等效刚度的方法估计SOC值。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于机械波的电池荷电状态(SOC)测量系统，拓展了电池荷电状态的估计技术，测量/辅助测量电池的SOC，使测量结果精确、可靠。
本发明的技术方案为：一种基于机械波的电池荷电状态(SOC)测量系统，所述系统包括载荷激励装置、颗粒晶体系统、力传感器、数据采集装置及智能分析系统；由载荷激励装置给定颗粒晶体系统一个载荷激励，产生机械波，机械波在颗粒晶体系统中传播，其中机械波在未传播到电池之前称为入射波，由电池反射后称为反射波；颗粒晶体系统另一侧与电池接触，当入射波传播到电池处发生反射，反射波仍然在颗粒晶体系统中传播，在机械波传播过程中，由力传感器测量颗粒晶体系统中的入射波和反射波；由数据采集器收集数据；智能分析系统根据获得的入射波和反射波，分析入射波和反射波的幅值和波长变化，根据幅值与波长和电池SOC的关系，反推出电池的SOC值。
所述测量系统的应用范围为锂离子电池或锂金属电池。
所述颗粒晶体系统由球形颗粒链组成，所述球形颗粒链由三个以上的球形颗粒组成。
所述球形颗粒的数量及大小能够调控。
所述测量系统可以以单独作为SOC的测量系统，或作为SOC的辅助测量系统。
所述力传感器放置方法为：将单个球形颗粒由中心对称分开，将力传感器放于两个半颗粒中间再将两个半颗粒胶粘或者焊接，将包含力传感器的单个颗粒放置于颗粒晶体中。
所述根据幅值与波长和电池SOC的关系通过实验获得，即通过对不同已知SOC的电池开展实验获得SOC与波长和幅值的拟合关系。
还包括温度传感器，通过温度传感器测量电池温度的手段对SOC的函数关系进行修正。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)该测量系统不受积累误差的影响，测量准确性不随时间的改变而改变。
(2)本发明系统是基于电池的力学性质估计电池的SOC值，是电学特性的一个补充。通过实验证实电池的等效模量和等效弯曲模量与电池的SOC线性相关。
(3)该系统可以作为现有SOC测量系统的一个辅助系统使用，使测量结果更加精确。
(4)通过给颗粒晶体一端激励，通过入射波和反射波幅值和波长的大小反应电池力学性质的变化。
附图说明
图1为本发明的颗粒晶体系统测量刚度的原理与方法；
图2为本发明的一种基于机械波的电池荷电状态(SOC)测量系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明采用已经成熟的零部件进行组装，载荷激励系统由载荷激励装置、颗粒晶体系统、力传感器、数据采集装置及智能分析系统构成。首先由载荷激励装置给定颗粒晶体系统一个载荷激励，产生机械波，机械波在颗粒晶体系统中传播；颗粒晶体系统另一侧与电池接触，当机械波(入射波)传播到电池处发生反射，反射波仍然在颗粒晶体系统中传播，在机械波传播过程中，由力传感器测量颗粒晶体系统中的入射波和反射波；由数据采集器收集数据。智能分析系统根据获得的入射波和反射波，分析其幅值和波长变化，根据幅值与波长和电池SOC的关系，反推出电池的SOC值。
本发明的具体实施例如下：
本发明针对的应用范围为锂离子电池或锂金属电池。
本发明根据锂离子电池基本力学性质随着SOC的变化关系，可通过机械波的入射波和反射波的变化反应电池力学性质的变化，SOC与波长和幅值的变化关系反推SOC值。
如图1所示，本发明的颗粒晶体测量刚度的基本测量方法与原理为，利用激振器给定颗粒晶体一端一个激励。机械波从颗粒晶体的一端传播到电池并进行反射，通过测量入射波和反射波的幅值和波长，通过SOC与波长和幅值的变化关系，反推电池的SOC值。
如图2所示，本发明测量系统包括载荷激励装置、颗粒晶体系统、力传感器、数据采集装置及智能分析系统；由载荷激励装置给定颗粒晶体系统一个载荷激励，产生机械波，机械波在颗粒晶体系统中传播，其中机械波在未传播到电池之前称为入射波，由电池反射后称为反射波；颗粒晶体系统另一侧与电池接触，当入射波传播到电池处发生反射，反射波仍然在颗粒晶体系统中传播，在机械波传播过程中，由力传感器测量颗粒晶体系统中的入射波和反射波；由数据采集器收集数据；智能分析系统根据获得的入射波和反射波，分析入射波和反射波的幅值和波长变化，根据幅值与波长和电池SOC的关系，反推出电池的SOC值。
所述颗粒晶体系统由球形颗粒链组成，所述球形颗粒链由三个以上的球形颗粒组成，本发明实施例选取为10个(选取的颗粒数量越多对数据采集卡和传感器的采样频率要求越低，但是会给系统增加重量)。颗粒的大小和数量都可以调控，用于更好的获得入射波和反射波的信号。
载荷激励系统可采用激振器等给定颗粒晶体系统一个载荷波形。以正旋波为例有初始幅值为A0，初始波长为a0。颗粒晶体由多个实心球体颗粒组成，组成材料可以是钢也可以是其他材料。力传感器用于测量颗粒晶体系统中单个颗粒中的入射波和反射波，力传感器放置方法为，将单个球形颗粒由中心对称分开，将力传感器放于两个半颗粒中间再将两个半颗粒胶粘或者焊接。将包含力传感器的单个颗粒放置于颗粒晶体中。由数据采集卡收集数据。
智能分析设备分析的入射波和反射波幅值为A1和A2，入射波和反射波的波长w1和w2。根据SOC与其的函数关系SOC＝f(A1,A2,w1,w2)反推SOC值，此函数关系可以通过对不不同SOC的电池开展实验拟合获得。如图1所示，同时可通过温度传感器测量电池的表面温度T，修正SOC的测量精度，将其函数关系修正为SOC＝f(A1,A2,w1,w2,T)，此函数关系可以通过对不同SOC和温度的电池开展实验拟合获得。
所述测量系统可以以单独作为SOC的测量系统，或作为SOC的辅助测量系统。作为辅助测量系统时，作为现有的SOC测量系统辅助系统，在较大的时间间隔中通过本发明系统测量SOC并修正SOC值。
提供以上实例仅仅是为了描述本发明的目的，而不是限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种基于机械波的电池荷电状态(SOC)测量系统，其特征在于：所述系统包括载荷激励装置、颗粒晶体系统、力传感器、数据采集装置及智能分析系统；由载荷激励装置给定颗粒晶体系统一个载荷激励，产生机械波，机械波在颗粒晶体系统中传播，其中机械波在未传播到电池之前称为入射波，由电池反射后称为反射波；颗粒晶体系统另一侧与电池接触，当入射波传播到电池处发生反射，反射波仍然在颗粒晶体系统中传播，在机械波传播过程中，由力传感器测量颗粒晶体系统中的入射波和反射波；由数据采集器收集数据；智能分析系统根据获得的入射波和反射波，分析入射波和反射波的幅值和波长变化，根据幅值与波长和电池SOC的关系，反推出电池的SOC值。
2.根据权利要求1所述的一种基于机械波的电池荷电状态(SOC)测量系统，其特征在于：所述测量系统的应用范围为锂离子电池或锂金属电池。
3.根据权利要求1所述的一种基于机械波的电池荷电状态(SOC)测量系统，其特征在于：所述颗粒晶体系统由球形颗粒链组成，所述球形颗粒链由三个以上的球形颗粒组成。
4.根据权利要求3所述的一种基于机械波的电池荷电状态(SOC)测量系统，其特征在于：所述球形颗粒的数量及大小能够调控。
5.根据权利要求1所述的一种基于机械波的电池荷电状态(SOC)测量系统，其特征在于：所述测量系统可以以单独作为SOC的测量系统，或作为SOC的辅助测量系统。
6.根据权利要求3所述的一种基于机械波的电池荷电状态(SOC)测量系统，其特征在于：所述力传感器放置方法为：将单个球形颗粒由中心对称分开，将力传感器放于两个半颗粒中间再将两个半颗粒胶粘或者焊接，将包含力传感器的单个颗粒放置于颗粒晶体中。
7.根据权利要求1所述的一种基于机械波的电池荷电状态(SOC)测量系统，其特征在于：所述根据幅值与波长和电池SOC的关系通过实验获得，即通过对不同已知SOC的电池开展实验获得SOC与波长和幅值的拟合关系。
8.根据权利要求1所述的一种基于机械波的电池荷电状态(SOC)测量系统，其特征在于：还包括温度传感器，通过温度传感器测量电池温度的手段对SOC的函数关系进行修正。
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